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Revelan la naturaleza cuántica de la interacción fotón/electrón libre

Investigadores del Technion-Instituto de Tecnología de Israel han recopilado la primera evidencia experimental que revela la naturaleza cuántica de la interacción entre fotones y electrones libres.

Sus hallazgos, publicados en Science, podrían tener importantes implicaciones para futuras investigaciones que investiguen los fotones y su interacción con los electrones libres.

Durante varias décadas, los físicos han sabido que la luz se puede describir simultáneamente como una onda y una partícula. Esta fascinante «dualidad» de la luz se debe a la naturaleza clásica y cuántica de las excitaciones electromagnéticas, los procesos a través de los cuales se producen los campos electromagnéticos. Hasta ahora, en todos los experimentos en los que la luz interactúa con electrones libres, se la había descrito como una onda.

«La idea de nuestro estudio nos llegó por primera vez hace unos dos años, después de nuestro descubrimiento experimental de que la interacción entre un electrón libre y la luz puede mantener su coherencia a distancias cien veces superiores al período óptico», según explicaron a Phys.org Raphael Dahan, Alexey Gorlach e Ido Kaminer, tres de los investigadores que realizaron el estudio.

«Alrededor de este tiempo, también salieron dos trabajos teóricos importantes, los cuales exploraron cómo las propiedades cuánticas de la luz deberían cambiar la interacción con los electrones».

Estos dos estudios teóricos previos, uno de Ofer Kfir en la Universidad de Göttingen y el otro de Javier García de Abajo y sus colegas del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), predijeron un nuevo tipo de interacción fundamental que ocurre entre la luz y los electrones libres, revelando las propiedades cuánticas de la luz.

Inspirándose en estas importantes predicciones, Kaminer, Dahan, Gorlach y sus colegas comenzaron a buscar un sistema en el que pudieran investigar esta interacción de manera experimental. Más específicamente, los investigadores querían demostrar que las estadísticas cuánticas de la luz pueden alterar la interacción luz-electrón.

«Esto nos llevó a buscar dos componentes importantes», explicaron Kaminer, Dahan y Gorlach. «El primero es un dispositivo que tendrá un mejor acoplamiento entre el electrón y la luz, y el segundo es una fuente fotónica que generará luz cuántica con la mayor intensidad posible».

Para lograr una mayor eficiencia de acoplamiento, los investigadores consultaron con miembros de la comunidad de investigación del acelerador en chip (ACHIP), cuyo objetivo es lograr una aceleración de electrones compacta utilizando láseres e integrarla en el chip. Después de una serie de cálculos, el equipo descubrió que la eficiencia del acoplamiento se puede mejorar cien veces en comparación con lo sugerido por todos los experimentos anteriores.

«Primero colaboramos con un grupo de Stanford (Solgaard, Inglaterra, Leedle, Byer y sus estudiantes); ellos diseñaron y nos proporcionaron una estructura ACHIP para la primera prueba», dijeron Kaminer, Dahan y Gorlach. «Este se convirtió en el primer experimento que utiliza un chip fotónico de silicio dentro de un microscopio electrónico de transmisión, y ya tenía implicaciones fascinantes, lo que resultó en otro artículo que pronto aparecerá en PRX, por Yuval Adiv et al».

Posteriormente, Kaminer y sus colegas iniciaron una colaboración con otra parte de la comunidad ACHIP, un equipo dirigido por Peter Hommelhoff en Erlangen Alemania. Este grupo de investigación proporcionó las mejores estructuras ACHIP del mundo necesarias para que Kaminer lleve a cabo este complicado experimento.

Para generar luz cuántica intensa, los investigadores trabajaron en estrecha colaboración con el grupo Eisenstein en Technion. Este grupo les permitió utilizar un tipo especial de amplificador óptico: un instrumento que puede cambiar las estadísticas de fotones cuánticos de la luz de una distribución de Poisson (como en la luz coherente clásica) a una distribución superpoissoniana.

«Nuestro estudio fue todo un viaje», dijo Dahan. «Combinando todos estos elementos diferentes y mediante un experimento muy desafiante utilizando nuestro microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida, logramos nuestro objetivo principal: demostrar la primera interacción entre un electrón libre y luz con diferentes propiedades cuánticas».

Kaminer y sus colegas finalmente pudieron desvelar la naturaleza cuántica de la interacción entre fotones y electrones libres cambiando continuamente las estadísticas de fotones a lo largo de su experimento y mostrando cómo cambia el espectro de energía de los electrones en respuesta. El cambio en las estadísticas de fotones que observaron varió según la intensidad de la bomba y la semilla láser en el amplificador óptico.

La interacción principal que exploraron los investigadores es la que involucra la luz de entrada y los electrones libres. En sus experimentos, los electrones actúan como detectores del estado de la luz. Por lo tanto, al medir su energía, los investigadores pudieron extraer información cuántica sobre la luz.

Las mediciones de electrones solo pueden explicarse cuantificando tanto el electrón como la luz, como lo predicen los artículos teóricos en los que se inspiraron. «Solo una vez que se usó esta nueva teoría, la concordancia con nuestras mediciones se volvió muy buena», dijo Kaminer. «Desde una perspectiva fundamental, los principales hallazgos de nuestro estudio son: la interacción entre la luz cuántica y un electrón libre, la aparición del entrelazamiento en la interacción y el principio de correspondencia cuántico-clásico. Este principio muestra el efecto de un paseo cuántico por el electrón y su transición a un paseo aleatorio».

Además de allanar potencialmente el camino para nuevas investigaciones en física relacionada con la luz, la evidencia experimental podría informar el desarrollo de varias tecnologías nuevas. Esto incluye herramientas de imágenes no destructivas y no invasivas que pueden recopilar imágenes de alta resolución.